新闻网讯 12月1日，《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志在线发表了武汉光电国家研究中心王健教授团队题为“Optical Trapping Separation of Chiral Nanoparticles by Subwavelength Slot Waveguides”的最新研究成果。此研究利用硅基亚波长狭缝波导模场调控，实现手性纳米粒子捕获分离，可突破光学衍射极限限制。
手性表示物体的结构与其镜像不可重合的特性，比如人的左右手，互为镜像，但不能叠合。手性是自然界普遍存在的现象，甚至涉及生命的起源问题。在分子层面上，互为对映异构体的手性化合物，其原子在空间上呈相反时针方向排布。手性概念已经遍及化学化工、生命科学、医药学、物理学、甚至天文学等众多学科领域，其相关研究与应用为人类的社会进步做出了巨大贡献。例如，互为对映体的手性化合物，应用于医疗、农药或工业催化，相应地，往往具有非常不同甚至截然相反的医药、毒性或催化效果。因此，制备高纯度的单一手性化合物成了相关科研与产业界的重要攻克目标。
为了制备高纯度的单一手性化合物，一般工业界采用手性分离技术，将手性化合物从其对映体混合物中分离并提取出来。然而，互为异构体的手性化合物在化学成分、物理性质等方面具有等价性，导致目前的手性分辨与分离技术仍然面临诸多挑战。例如，手性色谱分析法，作为目前流行的手性分离技术，需要添加其它手性分子，分离过程会引入其它副产品，并会导致环境生态问题。最近十年，伴随着微纳光子学的发展，学术界提出了多种全光手性分辨或分离方案。相比传统技术方案，全光手性分离技术具有非接触、无参杂、低成本、便于自动化管理等诸多优势。
武汉光电国家研究中心多维光子学实验室王健研究团队发现并提出了一种新的全光手性分离方案，能在对向传输的硅基狭缝波导中实现手性纳米粒子的捕获与分离，如图1所示。这种新的硅基手性分离平台，相比之前提出的全光手性分离平台，具有以下几大优势。一方面，它利用了狭缝波导倏逝场产生的梯度力进行手性分离，与非保守的光散射力或辐射力相比，梯度力作为保守力提供的光学作用力会更加显著；另一方面，被亚波长狭缝波导强束缚的光场，能对纳米尺寸的手性粒子进行捕获分离，可有效突破自由空间光聚焦所受到的衍射极限限制。更重要地，这种硅基电介质狭缝波导，其制作工艺与当前成熟的硅基光子集成技术和CMOS工艺完全兼容，便于后续开发成光流控技术从而实现大规模手性分离。
图1 基于对向传输的亚波长狭缝波导全光手性捕获与分离。（a）相反的手性纳米粒子被强束缚倏逝场捕获并分离示意图；对向传输形成的准横磁（PTM）模的（b）电场强度与（c）电磁乘积（手性）分布；狭缝处产生的梯度力对（d）R-对映体、（e）非手性粒子、以及（f）S-对映体的捕获偏移示意图
研究发现，这种狭缝波导对手性纳米粒子的分离程度高度依赖于狭缝的宽度参数，计算结果如图2所示。对于220纳米厚的硅波导，工作波长为1550纳米时，狭缝存在宽为0.6微米左右的过渡值。接近这个值，相反手性的纳米粒子被捕获的平衡位置会重叠；越过这个值，捕获会交换位置。调查发现，导致这种现象的原因在于处在这个狭缝宽度值附件的磁场环流会出现分裂，如图2（a）-（d）所示。这种磁场分裂会影响场的电磁手性分布，从而改变手性梯度力，进而导致捕获手性粒子的总梯度力（捕获力）平衡位置的漂移，乃至交换位置，如图2（f）与2（g）所示。
图2 手性分离程度、梯度力大小与波导狭缝尺寸之间的关系。（a）-（d）狭缝高为100纳米时，四种不同宽度下的磁场分布情况；（e）不同狭缝宽度下的手性分离程度计算结果，星形为离散计算结果，曲线为拟合结果；过渡点附近不同狭缝宽度对R-对映体所产生的（f）手性梯度力与（g）总梯度力分布情况；（h）狭缝宽度为0.9微米时不同高度下的总梯度力分布情况。计算时，粒子半径取12纳米，输入光的总功率为100毫瓦，波长为1550纳米
对设计好的狭缝波导，利用非惯性朗之万动力学（Langevin dynamics）方法能真实模拟不同手性的纳米粒子在狭缝里的捕获情况，结果如图3所示。模拟显示，提出的亚波长狭缝波导所产生的手性捕获力能有效克服分子的热运动（布朗运动）以及液体的粘滞阻力，达到手性纳米粒子捕获并分离的目的。研究进一步调查了这种狭缝波导手性可分离所需满足的最小粒子尺寸与输入光功率条件，结果如图4所示。调查发现，对于粒子半径为12纳米的手性粒子，手性可分离的光功率最小需要几毫瓦；而对于输入光功率为100毫瓦时，手性可分离的最小粒子半径约为2纳米。另外，研究还发现，通过调节狭缝波导对向传输光的相对相位差，可以控制倏逝场的驻波移动，让分离后的手性粒子随波腹而迁移，进而实现手性粒子的动态传输。
图3 不同手性的纳米粒子从狭缝开口处被拖曳并最终被囚禁在各自平衡位置的模拟结果。不同颜色的曲线代表粒子在不同开口位置被捕获的运动轨迹
图4 狭缝波导手性可分离需满足的粒子尺寸以及输入光功率极限调查结果。（a）-（c）特定粒子尺寸下，不同光功率对粒子捕获的模拟结果；（d）-（f）一定光功率下，不同尺寸的粒子被捕获的模拟结果
武汉光电国家研究中心为论文唯一单位，武汉光电国家研究中心方良博士后为独立第一作者，王健教授为唯一通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划（2019YFB2203604）、国家自然科学基金 (61905081, 11774116)、国家杰出青年科学基金（62125503）、中国博士后特别资助项目（2020T130221）、博士后面上项目（2019M662596）等项目的支持。
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.233902
